Procédé et appareil pour la fabrication d'oxyde à l'état de poussières dispersées La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la production d'oxydes à l'état de pous sières dispersées. Elle peut être appliquée à la pré paration de toutes sortes de corps à l'état de très grande finesse et elle présente un intérêt particulier dans le cas où l'on envisage la préparation de la silice dispersée.
On sait que des produits dispersés peuvent être obtenus par vaporisation, dans un four à arc, de minéraux oxydés partiellement réduits par le car bone, le gaz ainsi obtenu étant ensuite traité dans une seconde enceinte où il est brûlé et refroidi pour donner naissance à une poussière d'oxydes.
Le présent procédé, et l'appareillage y relatif, se rapportent en particulier à la première phase de l'opération, c'est-à-dire à la production au four à arc étanche de sous-oxydes de métaux ou de métal loïdes sous forme de vapeur. L'invention permet d'obtenir des produits de qualité meilleure que par le passé, en même temps qu'une marche plus sûre et plus régulière de l'installation de production.
Un des objets de l'invention est un procédé de fabrication d'oxyde d'un métal ou d'un métalloïde, notamment du silicium, de l'aluminium, du plomb et du zinc, à l'état de poussières dispersées, par réduc tion partielle par le carbone et vaporisation dans un four à arc d'un desdits oxydes, caractérisé en ce que l'on chauffe à une température comprise entre 2000 et 26000 C un mélange pulvérulent constitué dudit oxyde et de carbone, en présence d'un bain à base du métal ou métalloïde dudit oxyde, le volume dudit bain étant de 5 à 20 fois plus grand que celui dudit mélange.
Un autre objet est un appareil pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comprend un four à arc étanche dont la voûte hémisphérique refroidie est revêtue entièrement en carbone, des porte-électrodes étanches à inclinaison variable, des amenées refroidies de gaz inerte sous pression à la base des porte-électrodes pour le nettoyage des dépôts conducteurs par soufflage de gaz intermittent ou continu, et de telles amenées de gaz à la base des tubes d'alimentation en matières premières.
Le four peut être chargé en continu avec un mélange de sable et de coke de façon que la couche superficielle ainsi constituée soit en permanence d'un volume 5 à 20 fois plus faible que le volume du bain métallique, et de préférence de l'ordre de 8 à 12 fois plus faible.
L'intensité de la vaporisation peut être déduite de la quantité de chaleur dégagée par l'oxydation des poussières dispersées en mesurant, au couple thermo électrique, la température des gaz chauds au sommet de la hotte surmontant le four, la mesure directe de la température du bain étant peu pratique.
Il a été observé que la vaporisation la plus impor tante est obtenue lorsque la couche superficielle de faible épaisseur, de l'ordre de 2 à 5 cm environ, est constituée de silice fondue, du mélange sable-coke et qu'elle présente de plus, en surface, quelques lou pes ou gouttelettes de métal.
Le procédé permet donc, en vue de la production optimum, d'ajuster la composition du bain par réglage de l'alimentation en fonction de la température des gaz et de l'aspect de la surface du bain.
C'est ainsi que si la température des gaz baisse en même temps que les loupes de métal disparaissent sous une couche de silice trop épaisse, on augmente le pourcentage de coke. Si c'est au contraire la cou- che superficielle de silice fondue qui disparaît, on augmente le pourcentage de sable.
D'autres variables permettent en outre de déceler un changement de composition du bain, par exemple l'augmentation de l'intensité passant par chaque élec trode (par suite de la variation de conductibilité du bain), le changement d'aspect de la flamme, le chan gement du bruit de l'arc.
La marche régulière d'une installation dans la quelle on applique le nouveau procédé est encore améliorée lorsqu'on prend des dispositions particu lières en vue de la marche à puissance constante du four étanche.
C'est ainsi que, selon une forme particulière de mise en oeuvre du procédé, des moyens sont prévus non seulement pour maintenir sensiblement cons tante, et de l'ordre de 2 à 5 cm, la distance entre les électrodes et le bain, mais encore pour maintenir sensiblement constantes, et de l'ordre de 15 à 30 cm, les distances entre pointes d'électrodes.
On peut prévoir également des moyens pour sup primer les amorçages d'arc entre l'électrode et la voûte du four étanche, amorçages qui ont tendance à se produire par accumulation de croûtes ou de dépôts de matières conductrices à l'intérieur des gai nes ménagées dans l'épaisseur de la voûte pour le passage des électrodes.
En tant que moyen empêchant la formation de dépôts nuisibles, on utilise avantageusement un net toyage continu ou intermittent, au moyen d'un gaz inerte sous pression, des zones électives de formation desdits dépôts.
Des moyens de nettoyage par soufflage de gaz inerte peuvent être prévus dans des zones de l'ins tallation autres que les électrodes, par exemple les tubes d'alimentation en mélange sable-coke, où des dépôts gênants apparaissent.
Une forme d'exécution d'un appareil selon l'invention est représentée au dessin ci-annexé. La fig. 1 montre en coupe un four électrique et la hotte où sont brûlés les gaz, la fig. 2 est une coupe montrant le détail de l'assemblage de la vote sur la cuve du four ; la fig. 3 représente, en demi-coupe, un dispositif d'amenée de courant à l'électrode, et la fig. 4 montre, en demi-coupe, une forme de réalisation d'un porte-électrode étanche à inclinaison variable.
On voit sur la fig. 1 que la première enceinte où a lieu la réaction est un four fermé étanche constitué par une cuve 1 et une voûte 2 en tôle d'acier garnies de réfractaire 3. Le creuset 4 est en carbone amorphe ou en graphite, la voûte 2 est entièrement brasquée en carbone 5 selon une forme sensiblement sphérique, le centre de ladite sphère se trouvant au voisinage du plan 6 du niveau moyen du bain 7.
La tôle de voûte est refroidie par des chambres à circulation d'eau, cette disposition réduisant l'usure du revêtement car le carbone ne réagit pratiquement pas lorsqu'il est ainsi refroidi. Les gaz du four étant aspirés par le ventilateur (non représenté) du dispositif de captation des pous sières, l'enceinte du four est en dépression et des moyens sont prévus pour rendre le four étanche.
C'est ainsi que dans le mode de réalisation repré senté sur la fig. 1 et plus en détail sur la fig. 2, on a rapporté de façon étanche, sur la périphérie de la voûte, une couronne 8 supportant un anneau en fer rond 9 qui vient écraser un joint 10 en caoutchouc mousse logé dans une gouttière 11 solidaire de la cuve 1. Des chambres de circulation d'eau 12-13 et 14 sont prévues sur la cuve et sur la voûte pour refroidir le joint étanche 9-10 qui est protégé, en outre, par un matériau réfractaire 15 bourré dans le jeu existant entre la cuve et la voûte.
Les porte-électrodes 16 montés sur le four sont du type étanche ; ils sont fixés sur la partie conique de la voûte 2 et isolés de celle-ci par un double isolement.
Le réglage de la distance des pointes d'électrodes au bain et des pointes d'électrodes entre elles est effectué par déplacement longitudinal des électrodes et par pivotement des porte-électrodes 16 sur leurs supports sectoraux 17. L'inclinaison de l'électrode est, de préférence, comprise entre 40 et 600 environ.
Les électrodes traversent la voûte en carbone 5 à travers des gaines coniques 18 de conicité telle que la plus grande distance radiale entre la surface de l'électrode et la paroi intérieure de la gaine soit au moins égale à l'écartement entre les pointes d'électrodes.
Les dépôts de matière conductrice, risquant de produire des amorçages entre électrode et voûte, ten dent surtout à se produire sur les parties refroidies, c'est-à-dire à la base du porte-électrode. On prévoit, conformément à l'invention, en 19, une couronne creuse concentrique à l'électrode comportant 2 com partiments concentriques, l'un où circule de l'eau de refroidissement, le second, situé vers l'électrode, rece vant un gaz inerte ou réducteur sous pression qui, par des trous radiaux, balaie la périphérie de l'élec trode. A titre d'exemple on peut citer qu'on a obtenu un nettoyage efficace d'électrodes de 300 mm de dia mètre, montées sur un four de 2500 kW, en envoyant de l'azote sous une pression de 4 kg/cm' pendant 20 secondes toutes les demi-heures.
L'alimentation du four en mélange sable-coke est effectuée en continu par des tubes 20 en acier réfractaire soudé, refroidis par circulation d'eau et placés entre les électrodes. Un système de nettoyage par soufflage intermittent ou continu d'azote à l'entrée desdits tubes évite la formation de croûtes ou dépôts risquant d'empêcher l'alimentation du four. On choi sit avantageusement un dispositif comportant une couronne creuse identique à celui utilisé pour le nettoyage de la base des porte-électrodes.
L'inclinaison des tubes d'alimentation est choisie de. telle sorte que, dans un four triphasé, le point d'impact du mélange introduit dans le four soit situé à peu près au milieu des côtés du triangle équilatéral formé par les 3 pointes des électrodes.
On obtient un brassage électromagnétique du bain, améliorant l'homogénéité de ce dernier, par une disposition judicieuse des conducteurs amenant le courant triphasé aux électrodes.
Dans le cas de la préparation de la silice disper sée, dont il a été plus particulièrement fait mention dans ce qui précède, la partie métallique du bain se charge d'impuretés, en particulier de fer, en prove nance des matières premières. Au bout d'un certain temps de marche, le bain devenu trop riche en fer doit être renouvelé, en partie ou en totalité, par exemple par coulée de la partie du bain riche en ferro- silicium, ou par l'enlèvement dudit bain lors d'un arrêt du four.
Le porte-électrode étanche, équipant ledit four, comprend un dispositif, étanche aux gaz, d'amenée de courant électrique à l'électrode, dans lequel une matière divisée, conductrice de l'électricité et résis tant à la chaleur, plus particulièrement à base de carbone, est maintenue en contact étroit avec ladite électrode, par compression au moyen d'un presse- étoupe ;
ce porte-électrode se caractérise en ce qu'il comprend en combinaison, un système de vérins, solidaire à la fois de la voûte du four et de ce dispo sitif d'amenée de courant, ainsi qu'un système de serrage de l'électrode, comprenant d'une part des moyens de serrage solidaires du dispositif d'amenée de courant, et d'autre part des moyens de serrage indépendants de ce dispositif, de sorte que ledit sys tème de vérins permet d'effectuer soit le déplacement longitudinal de l'électrode rendue solidaire du dis positif d'amenée de courant et fixe par rapport à celui-ci, soit le déplacement longitudinal de ce dis positif d'amenée de courant par rapport à l'électrode maintenue fixe dans l'espace.
Ce porte-électrode comprend de plus, également en combinaison, un dispositif d'inclinaison de ladite électrode, constitué par une surface d'appui cylin drique solidaire dudit système de vérins, et reposant sur une surface correspondante d'une embase soli daire de la voûte du four et fixe par rapport à celle-ci.
Dans une forme préférentielle, on munit le porte- électrode d'une pièce métallique tubulaire ou man chon, concentrique à l'électrode, de diamètre inté rieur plus grand que le diamètre de l'électrode et on garnit l'espace annulaire entre ces deux pièces au moyen d'une matière divisée, des moyens étant prévus pour maintenir comprimée ladite matière.
Le contact est établi uniformément sur toute la périphérie de l'électrode, ce qui évite l'apparition de points chauds ou de brûlures.
Suivant l'intensité à laquelle doit travailler l'élec trode, on choisit le manchon de plus ou moins grande hauteur et la densité de courant est maintenue dans les limites usuelles par l'accroissement de la surface de contact entre la matière pulvérulente conductrice et l'électrode. En tant que matière conductrice divisée, on uti lise avantageusement du graphite en poudre et/ou en paillettes. De bons résultats sont obtenus en utili sant un mélange de ces deux produits, une meilleure conductibilité a été réalisée en prenant un mélange à parties sensiblement égales de poudre et de paillettes.
On peut également utiliser, en tout ou en partie, pour le joint conducteur, des carbures de métaux réfractaires tels que, sans que cette énumération soit limitative: carbures de tungstène, de molybdène, de tantale, de titane, de zirconium, etc.
Dans une forme préférée d'exécution on munit le manchon, à sa partie inférieure, d'une ou plusieurs bagues d'étanchéité évitant la perte de graphite, perte qui peut se produire par entraînement lors des dépla cements de l'électrode par rapport au manchon.
On prévoit des moyens pour presser, au moins lorsque les électrodes sont sous courant, le graphite, à la fois contre l'électrode et contre le manchon d'amenée de courant. C'est ainsi que, dans une forme de réalisation ayant donné de bons résultats, la partie supérieure du manchon comporte un presse-étoupe à vis qui comprime le graphite dans l'espace annu laire qui lui est réservé.
Un contact meilleur encore est assuré lorsqu'on donne à la surface intérieure du manchon un profil légèrement tronconique, la petite base étant dirigée vers la pointe de l'électrode. Il se produit alors un effet de coin facilitant le tassement du graphite.
Le nouveau dispositif présente l'avantage de réa liser; non seulement un excellent joint électrique , mais encore un joint étanche aux gaz entre l'élec trode et la pièce où est amené le courant, ledit joint autorisant cependant des déplacements relatifs entre l'électrode et la pièce où est amené le courant.
Le nouveau porte-électrode est, de ce fait, parti culièrement avantageux lorsqu'on l'utilise pour l'équi pement de fours électriques dont l'atmosphère du laboratoire doit être différente, en pression et/ou en composition, de l'atmosphère extérieure.
Dans une forme préférentielle on prévoit des seconds moyens de serrage de l'électrode, lesdits seconds moyens n'ayant qu'une fonction mécanique de blocage et étant solidaires du manchon d'amenée de courant.
Des moyens de translation longitudinale de l'élec trode sont d'autre part prévus, ainsi qu'il est usuel, pour assurer la régulation, lesdits moyens agissant, de préférence, sur le manchon ou sur les susdits seconds moyens de serrage de l'électrode.
On réalise un porte-électrode étanche en pré voyant, de plus, entre les parties du porte-électrode en déplacement relatif longitudinal, des joints étan ches, glissants, en une matière résistant à la chaleur.
La présente invention trouve une application par ticulièrement intéressante dans le cas où on cherche à réaliser un porte-électrode étanche, à inclinaison variable, disposition permettant de maintenir l'écar tement optimum entre les électrodes d'un même four, malgré les variations de la hauteur du bain y contenu. La partie fixe dans l'espace du porte-électrode comporte une embase rectorale fixée, par exemple, à la voûte du four, et sur laquelle est montée une pièce, ou guide électrode, présentant une surface complémentaire de celle de l'embase rectorale.
On voit en fig. 3 le manchon 21 du porte-élec- trode dont la surface intérieure 22 est légèrement tronconique. Le courant électrique est amené sur ledit manchon, par exemple au moyen d'une cosse 23 reliée aux câbles 24. Le manchon 21 est, d'autre part, supporté, par tout moyen convenable, à une partie fixe de l'installation, tel que: potence, voûte du four, etc., non représenté sur la figure, avec interpo sition de tout moyen approprié de translation longi tudinale: vérin, palan, etc., permettant d'opérer les réglages en hauteur de l'électrode.
L'électrode 25 est serrée dans une bride de blo cage 26, solidaire du manchon 21, ou d'une pièce elle-même solidaire dudit manchon.
L'intervalle 27 entre l'électrode et la face interne 22 du manchon 21 est garni d'un mélange de paillettes et de poudre de graphite retenu vers le bas par une ou plusieurs bagues en graphite 28, et tassé au moyen d'un presse-étoupe 29.
Lorsque le porte-électrode est destiné à une élec trode de gros diamètre, on prévoit avantageusement des bagues de guidage supplémentaires de l'électrode, afin de ne pas faire forcer l'électrode sur la bague en graphite 28.
Ladite bague 28 a pour but de retenir le mélange poudre-paillettes de graphite, tout en permettant le glissement de l'électrode, si bien que son diamètre doit être calibré avec précision. Dans le cas où les tolérances sur le diamètre de l'électrode sont impor tantes, il peut être avantageux de superposer plu sieurs bagues fendues, en graphite, en prenant soin que les fentes soient en opposition.
Au cours du fonctionnement du four, une cer taine quantité de poudre de graphite peut être entraî née, en particulier pendant les manoeuvres de glisse ment de l'électrode ou au passage des nipples de raccordement, c'est pourquoi on prévoit une certaine garde au presse-étoupe 29 qui peut être périodique ment resserrée si cela est nécessaire.
On peut prévoir, notamment pour les électrodes de petit diamètre, de réaliser le serrage mécanique de l'électrode dans le porte-électrode, uniquement au moyen du joint conducteur en paillettes de graphite, ce qui supprime la bride de serrage. Il peut être avantageux de munir le presse-étoupe d'un système de commande à distance, par exemple à vérin, per mettant de relâcher rapidement la pression de serrage du joint en paillettes, pour faciliter le glissement de l'électrode.
On a représenté en fig. 4, un mode de réalisa tion, dans lequel on met à profit l'étanchéité réalisée entre le manchon d'amenée de courant 21 et l'élec trode 25 grâce à la présence du joint conducteur en paillettes de graphite. La fig. 4 montre un porte-électrode étanche et orientable, permettant un réglage très précis de l'arc dans les fours à atmosphère contrôlée.
Dans ce mode de réalisation, le contact électrique entre le manchon 21, refroidi par une circulation d'eau dans les tubes 30, et l'électrode 25, est assuré, comme décrit précédemment, au moyen de poudre et paillettes de graphite tassées dans l'intervalle 27 au moyen du presse-étoupe 29, tandis que le serrage mécanique de l'électrode sur le porte-électrode est complété par une bague de blocage 26 solidaire du manchon 21.
Le manchon 21 est prolongé par une jupe tubu laire 3, également refroidie, comportant à sa partie inférieure un joint d'étanchéité 32 serré dans un presse-étoupe. Ledit joint est susceptible de glisser sur la surface extérieure d'un guide d'électrode tubu laire 33 fixe en translation, refroidi par circulation d'eau, et comportant, éventuellement, une bague 34, ou une portion de bague, pour guider ou supporter l'électrode si celle-ci n'est pas verticale.
Le réglage en hauteur de l'électrode est réalisé au moyen de tout dispositif usuel de régulation, tel que, ainsi qu'il est représenté à titre d'exemple sur la fig. 4, un ou plusieurs vérins 35, dont les cylindres prennent appui sur une partie fixe en translation du porte-électrode, comme le guide tubulaire 33, et dont les pistons 36 agissent sur le manchon 21 ou sur une pièce solidaire de ce dernier.
Pour permettre les glissements, au fur et à mesure que l'électrode est consommée, on prévoit avanta geusement à la partie supérieure du porte-électrode une bague de guidage 37 rendue solidaire de la partie fixe du porte-électrode (pièce 33) par l'intermédiaire de flasques non représentés sur la fig. 4.
Les pistons 36 des vérins 35 étant en fin de course en position basse, on serre sur l'électrode un collier 39, qui prend alors appui sur la bague fixe 37. Le collier 26 est desserré et l'électrode maintenue par le collier 39, reste immobile tandis que les vérins sont manoeuvrés pour remonter l'ensemble d'amenée de courant.
La bague 26 est alors resserrée, et le collier 39 desserré, pour permettre à nouveau la man#uvre de l'électrode au moyen des vérins 35.
L'inclinaison du porte-électrode est rendue varia ble en prévoyant, pour le guide d'électrode tubu laire 33, une surface inférieure d'appui cylindri que 40 venant reposer sur une surface correspon dante d'une embase refroidie 42-42' comportant un joint isolant 43 et fixée, par exemple, à la voûte 44 du four.
Bien entendu, des moyens de serrage convena bles des surfaces cylindriques 40 et 42 l'une contre l'autre empêchent tout changement d'inclinaison acci dentel du porte-électrode et des joints souples tels que 45-45' assurent l'intégrité de l'étanchéité au dis positif de pivotement.